一种环境适应性高温热管的制作方法

本发明涉及一种环境适应性高温热管，属于高温热结构技术领域。

背景技术：

高温热管具有使用温度高、传热能力好等优点，在飞行器防热、核能发电、工业余热回收等方面具有潜在的应用前景。高温热管一般以碱金属锂、钠、钾作为工质，且均为单一工质热管。随温度的升高，碱金属工质的饱和蒸汽压逐渐增大，当蒸汽压达到约500Pa时，碱金属工质产生明显的吸热汽化-传导-液化放热-毛细回流循环，高温热管启动，变成热的超导体。

但是，碱金属的蒸汽压随温度升高呈指数增大，并且会很快超过热管壳体的强度承受范围。因此，高温热管的工作温度范围一般都比较窄。例如，钠工质高温热管的工作温度范围为800-1300K；锂工质高温热管的工作温度范围为1000-1800K。在低于工作温度下，高温热管不启动，传热能力差；在高于工作温度下，过大的饱和蒸汽压极容易引起高温热管壳体变形、工质泄露等失效风险。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种环境适应性高温热管，其能够拓宽高温热管的工作温度范围，减小碱金属工质的蒸汽压力，避免高温热管产生壳体变形、工质泄露等失效风险。

本发明采用的技术方案为：

一种环境适应性高温热管，包括热管壳体，该壳体分为蒸发段A、绝热段B和冷凝段C，还包括压力阀门、恒温容器、填充在壳体内部的钠工质和锂工质；壳体的冷凝段C通过压力阀门与恒温容器连通。

所述热管壳体中钠工质的填充量为热管壳体容积的5-10％。所述热管壳体中锂工质的填充量为热管壳体容积的10-20％。所述压力阀门的开阀压力为0.8-1.2atm。恒温容器内真空度小于20Pa。恒温容器的工作温度范围为120-250℃。所述热管壳体的材料为铌或铌合金。恒温容器材质为不锈钢或镍基高温合金。

本发明与现有技术相比带来的有益效果为：

(1)本发明技术方案利用了锂和钠两种碱金属作为循环工质，大大拓宽了高温热管的工作温度范围。

(2)通过压力阀门对高温热管的工作压力进行调节，降低了其发生壳体变形和工质泄露的失效风险。

附图说明

图1为本发明高温热管结构示意图；

图2为高温热管的饱和蒸汽压变化图；

图3为高温热管的极限热流密度变化图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。

如图1所示，本发明提出的一种环境适应性高温热管，包括热管壳体1，该壳体1分为蒸发段A、绝热段B和冷凝段C，还包括压力阀门4、恒温容器5、填充在壳体1内部的钠工质2和锂工质3；壳体1的冷凝段C通过压力阀门4与恒温容器5连通。

热管壳体1中钠工质2的填充量满足如下条件：钠工质的汽化吸收的热量除以热管壳体热容得到的温度大于钠的熔点，且小于钠工质热管的最低启动温度。一般为热管壳体1容积的5-10％。

热管壳体1中锂工质5的填充量满足如下条件：锂工质的汽化吸收的热量除以热管壳体热容得到的温度大于锂的熔点，且小于锂工质热管的最低启动温度。一般为热管壳体1容积的10-20％。

压力阀门3的开阀压力以保证钠工质热管传热能力且不产生热管壳体变形为宜，一般为0.8-1.2atm。

恒温容器4内气体残留须不对钠工质产生明显氧化，以免影响热管的启动性能，其真空度要求小于20Pa。

恒温容器4的工作温度须覆盖钠、锂两种工质的熔点为宜，其温度范围为120-250℃。

考虑到热管壳体与碱金属的相容性，热管壳体1的材料为铌或铌合金。恒温容器4材质为不锈钢或镍基高温合金。

工作原理：本发明提出的高温热管，其金属壳体内有锂、钠两种工质。当蒸发段温度达到800K时，钠工质发生汽化吸热，沿金属壳体流动至冷凝并液化放热，放热后的液体沿毛细芯回流至蒸发段。通过这一过程，钠工质循环工作，环境适应性高温热管表现为钠工质高温热管特性。当蒸发段温度达到1000K左右时，压力阀门开启，钠蒸汽从金属壳体经压力阀门进入恒温容器。由于压力容器温度较低，且没有毛细回流效应，所以进入的钠蒸汽液化后停留在恒温容器内。与此同时，锂工质发生汽化吸热-传导-液化放热-毛细回流循环过程，环境适应性高温热管表现为锂工质高温热管特性。

利用压力阀门对高温热管的工作压力和循环工质类型进行调节是一种新的设计理念。通过该设计理念本发明实现了钠工质热管与锂工质热管的有机结合，从而拓宽了高温热管的工作温度范围，减小了循环工质的工作压力，降低了其失效风险。

实施例：

为了进一步说明该方案的优点，我们对钠工质热管、锂工质热管及本发明提供的一种环境适应性高温热管的饱和蒸汽压和极限热流密度进行了理论计算。计算温度为700-1800K，高温热管壳体为Nb521铌合金，压力阀门开阀压力为1.0atm。图2给出了三种热管方案的饱和蒸汽压变化图。一般来说，高温热管工作对应的饱和蒸汽压范围约为0.005–2atm，即图2中所示的下限和上限。从图中看出钠工质热管的工作温度范围为800-1300K，锂工质热管的工作温度范围为1000-1800K，本发明提供的环境适应性高温热管的工作温度范围为800-1800K。

据此，可以说明本发明提供的一种环境适应性高温热管具有较宽的使用温度范围，并且在此工作温度范围内热管的饱和蒸汽压变化较为平缓，能够避免工质压力变化引起的结构失效问题。

图3给出了钠工质热管、锂工质热管及本发明提供的高温热管的极限热流密度随温度的变化图。从图中可以看出，本发明提供的高温热管集合了钠工质热管和锂工质热管的优点，在较宽的温度范围内表现出良好的传热能力。工作温度为1000K时，环境适应性热管的传热能力为10000W/cm²，与钠工质热管相近，比锂工质热管传热能力大100倍。当大于1300K时，环境适应性热管的传热能力与锂工质热管相近，此时由于壳体强度限制单一钠工质的热管已经不能工作。